新元矿综采工作面覆岩破坏特征研究

王美军

(潞安化工集团 新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600)

随着工作面煤层的开采，采空区上覆岩层由三向受压变为双向受压，失去煤层的支撑作用极易折断、垮落，对作业人员的生命安全以及矿井的生产安全造成严重威胁[1-2]；此外，由于岩石的碎胀特性，覆岩垮落后会对采空区间产生一定的充填作用，但不会完全充满采空区，上覆岩层由下级上逐步形成“上三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[3-5]。

关于“上三带”发育高度研究，众多专家学者进行了深入研究，并取得了较为显著的成果。钱鸣高院士[6]构建了覆岩破断的“砌体梁”力学模型以及“关键层”理论；宋振骐院士[7]则提出了“传递岩梁”理论；黄庆享[8]、林海飞[9]等采用理论分析计方法，构建了覆岩破坏特征的力学模型。

上述学者对于覆岩破坏特征的研究多集中于理论分析，对“上三带”发育高度未给出发育范围，因此，本文基于新元煤矿特殊地质条件，即瓦斯赋存含量较高，具有突出倾向性，且该矿以高抽巷对瓦斯进行抽采，避免工作面瓦斯突出的重中之重，而高抽巷的层位布置，与上覆岩层“三带”位置分布密切相关。为此，亟需对新元矿覆岩破坏特征进行深入研究，以此作为高抽巷合理布置的理论依据。

1 新元煤矿31006工作面概况

新元煤矿31006工作面主采3号煤层赋存稳定， 31006工作面走向长度(可采长度)为3 035 m，倾斜长度为265 m，停采线距南区新集中辅运大巷120 m，煤层平均厚度为4.8 m，煤层平均倾角为3°，工业储量：3 299 136 t。根据31006工作面本煤层抽采数据，抽放纯量预计在15 m3/min以上，煤层顶底板柱状图如图1所示。

图1 煤层顶底板综合柱状图

2 覆岩裂隙带高度理论计算研究

查阅资料得出对覆岩裂隙带高度的计算[10-11]，可以根据上覆岩层的软硬程度选择对应的计算公式进行计算，某矿31006工作面主采的3号煤层平均厚度4.8 m，顶板岩层为硬质粉砂岩、细砂岩为中硬岩石，故采用公式(1)、公式(2)。

(1)

(2)

式中：Hmld、Hlxd分别为采空区冒落带、裂隙带高度，m；k为岩石碎胀系数，取1.25；α为煤层倾角，取5°；M为采厚，取4.8 m。

计算得出冒落带高度为19.2 m，裂隙带高度为42.55±5.6 m。由于地质条件错综复杂，故实际的裂隙带高度还需结合数值模拟计算结果对比得出。

3 覆岩裂隙带高度模拟分析

3.1 模型的建立

根据新元矿31006工作面实际地质条件，采用UDEC软件对覆岩裂隙发育高度进行模拟分析，建立如图2所示的计算模型，模型尺寸为长×高=400 m×300 m，为重点研究覆岩裂隙发育特征，对邻近煤层的上覆岩层网格加密，模型如图2所示，工作面各岩层实测物理力学参数如表1、表2所示。

图2 数值计算模型图

表1 模型力学参数

表2 模型覆岩节理面力学参数

3.2 模拟结果分析

1) 顶板垮落特征及裂隙发育特征分析。对工作面推进不同距离时的顶板垮落特征及裂隙发育特征进行分析，得到不同推进步距时的顶板破坏状态情况，如图3所示。由图3可知：煤层开切眼后造成上覆岩层悬露，受采动影响直接顶卸载，发生膨胀变形，当工作面推进到20 m左右，由于覆岩自重影响，直接顶发生弯曲变形，砂质泥岩直接顶具有良好的稳定性，不易垮落至采空区，但顶板出现微小变形，并且伴随有少量微小的裂隙发育产生；当工作面推进30 m(如图3 (a)所示)时，上覆岩层发生拉弯变形，并开始垮落充填采空区，顶板冒落带高度为7.5 m，裂隙带高度为22 m；随着工作面的继续推进，覆岩采动影响范围扩大，采动裂隙继续向更高的岩层发育，引起上覆岩层的弯曲变形，且垂直裂隙不断向上发展，冒落高度逐渐向上延伸当工作面推进至90 m时，如图3 (b)所示，随工作面推进，覆岩继续呈现周期运动的特征，顶板冒落带高度为15 m，裂隙带高度为37 m；当开采至150 m时，顶板冒落带高度为18 m，裂隙带高度为44.5 m，如图3(c)所示；之后随着工作面的继续推进，覆岩裂隙发育基本趋于稳定，早期形成的采动裂隙受上覆岩层的压实作用，散落块体的密度逐渐增大，且块体间的孔隙度逐渐减小；裂隙逐渐闭合，裂隙密度降低；之后的开采过程中，覆岩裂隙随着工作面的推进向前递进，裂隙的产生，造成顶板孔隙率增加，透气性也大幅度提高，最终裂隙带发育高度为48.6 m。

2) 顶板采动应力演化规律。提取应力监测测点所监测得到的数据，并进行处理、出图，得到工作面推进过程中顶板应力传递演化规律曲线图，如图4所示。

图4 不同推进距离时支承压力演化规律

由图4可知，工作面推进不同距离时，上覆岩层应力运移规律基本一致，且峰值随着工作面的推进不断向前推移。当工作面推进30 m时，支承压力峰值约为14.9 MPa，且出现位置在煤壁前方10～15 m范围内，应力集中系数为1.295 4；当工作面推进90 m时，支承压力峰值约为16.8 MPa，最大支承压力分布在距离煤壁前方15 m位置处；当工作面推进120 m时，最大支承压力分布在距离煤壁前方10 m左右；之后随着工作面的不断推进，支承压力峰值逐渐增大，这是由于随着工作面的推进，顶板的悬露面积逐渐增大，切眼及煤壁处所受的支承压力逐步增大；当工作面推进至270 m时，支撑压力达到最大值，分析原因为此时的工作面推进长度与工作面斜长基本一致，即工作面推进至第一次“见方”的位置，此时顶板破坏最为严重。

4 结 语

1) 随着工作面推进，应力峰值也在向前不断迁移，且在采空区中部位置会出现应力回弹现象，这是由于采动过程中，采空区中部顶板垮落，且率先触底，底板对其产生一定的支撑作用，最终顶板裂隙带发育高度为48.6 m，与理论计算结果接近，具有较大的准确性。

2) 工作面推进过程中，受煤层开挖扰动影响，采空区顶板的原岩应力平衡状态被打破，致使采空区顶板形成卸压区，应力也急剧下降；为了维持应力平衡状态，在超前工作面10～15 m范围内会出现应力升高、集中现象，且在工作面第一次“见方”时，覆岩破坏最为严重，切眼及煤壁两端支承压力达到最大值。